基于FDS的超長高海拔公路隧道火災(zāi)特性數(shù)值模擬

摘要：針對超長高海拔隧道氧含量低、氣壓不足、防排煙難度大，以及人員疏散困難等突出火災(zāi)現(xiàn)象，基于FDS軟件，以某隧道為工程實例進行火災(zāi)煙霧擴散模擬，分析不同工況下的能見度、溫度以及CO濃度分布情況，確定安全值，分析得出最適合的機械通風風速。結(jié)果表明，在不同機械通風情況下，煙霧擴散情況有著明顯的區(qū)別。當通風風速較大時，隧道上游情況明顯優(yōu)于下游情況，下游溫度較高，高于安全溫度60℃的危險距離大于200m。當通風風速較低時，上下游情況較為均衡，但火源點附近的情況較為危險，能見度及CO濃度均處于十分危險的情況。綜合考慮各項安全疏散指標以及隧道煙氣波動情況，得出結(jié)論，當疏散條件較為擁堵時，機械通風風速可設(shè)為1m/s；當交通較為通暢時，機械通風風速應(yīng)設(shè)為2m/s。

關(guān)鍵詞：高海拔隧道；火災(zāi)模擬；FDS；煙霧擴散；隧道通風

中圖分類號：U458.1" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）11-0007-03

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷推進和汽車流量的增加，我國隧道建設(shè)在數(shù)量、規(guī)模、范圍不斷擴大，公路隧道，特別是特長公路隧道的數(shù)量迅速增長。根據(jù)交通運輸部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2023年末，全國公路里程為543.68萬km，比2022年末增加8.20萬km。全國有公路隧道27297處、總里程為3023.18萬延米，分別增加了2447處、344.75萬延米[1]。隨著隧道基數(shù)的增長，公路隧道火災(zāi)的發(fā)生率也隨之上升，特別是在特長隧道中，由于通風條件特殊，逃生難度增加，導(dǎo)致人員傷亡的情況更加嚴重。近年來，隧道火災(zāi)時有發(fā)生，2024年8月14日，G60滬昆高速黔西南州晴隆段梧桐隧道100m處（昆明往安順方向），發(fā)生一起因貨車引發(fā)的交通事故導(dǎo)致車輛燃燒，產(chǎn)生濃煙，造成2名駕乘人員死亡[2]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

現(xiàn)已有一些學者對于高原公路隧道火災(zāi)進行了深入研究，葉成豪等[3]通過對火災(zāi)產(chǎn)物的研究，分析其對人員逃生的影響，并建立人員疏散模型，修正更加符合實際情況的逃生方案；楊家偉等[4]依托甘青隧道工程，通過調(diào)整隧道的縱向風速大小以及方向，得到該工程發(fā)生火災(zāi)的致災(zāi)因素，選擇最佳控煙方案，并與平原地區(qū)火災(zāi)模擬結(jié)果進行對比；王峰等[5]采用移動模型隧道火災(zāi)試驗平臺，對成都平原、海拔3544m、4103m超高海拔山區(qū)在相同油盤尺寸和燃料體積條件下，火災(zāi)燃燒和煙氣溫度分布進行現(xiàn)場試驗研究。

根據(jù)上述情況，當前學者們已在多個方面取得了進展，如高海拔隧道不同于常規(guī)隧道的燃燒特性、不同含氧量及大氣壓對人體逃生產(chǎn)生的不同影響、逃生通道間距、人流量對人員逃生時間的影響，以及各種危險氣體對人體產(chǎn)生的危害和人員疏散難度增加等。然而，針對高海拔特長隧道在不同含氧量、氣壓條件下，不同風速對火災(zāi)人員逃生影響的研究相對較少，本文以雀兒山隧道為工程實例，進行模擬研究，為高海拔隧道的通風設(shè)計以及逃生通道設(shè)計及方案提供參考。

2 海拔對火災(zāi)環(huán)境的影響

2.1" 海拔對氣壓的影響

氣壓對燃燒的影響主要體現(xiàn)在燃燒速率、火焰形態(tài)和燃燒效率等方面。在高氣壓環(huán)境中，氧氣分子密度較高，燃燒速率加快，火焰更大更明亮更穩(wěn)定；由于氧氣供應(yīng)充足，燃燒更充分，效率更高。當海拔越高，氣壓越低，兩者為非線性關(guān)系，可用公式1進行計算。

（1）

式中：P——海拔為h（m）時的大氣壓，Pa；

P0——海平面上的大氣壓，Pa；

M——空氣的分子量，g/mol；

g——重力加速度，m/s2；

R——氣體常數(shù)，J/（kg·K）；

T——溫度，℃。

根據(jù)數(shù)值代入計算可以得出具體海拔下的壓強大小，雀兒山隧道平均海拔大約處于4380m，根據(jù)實際情況，模擬大氣壓可設(shè)定61.8kPa。

2.2" 海拔對溫度的影響

?溫度對燃燒速率有顯著影響。溫度升高會提高反應(yīng)物顆粒的平均動能，導(dǎo)致它們的運動更加劇烈，碰撞的頻率和能量也會增加，從而更容易產(chǎn)生反應(yīng)。?海拔高的地區(qū)氣壓低、空氣稀薄，溫度低。具體來說，海拔與溫度的關(guān)系為：每上升100m，氣溫降低0.6℃?？捎霉?表示：

（2）

式中：T——海拔為h（km）時的溫度，℃。

為考慮綜合情況以及早晚溫差，計算平均氣溫，將溫度設(shè)置為10℃。

2.3" 海拔對氧含量的影響

氧氣濃度直接影響燃燒速率與效率，燃燒需要足夠的氧氣來提供反應(yīng)所需的能量，當氧氣不足時，燃燒就會受到限制，可能導(dǎo)致不完全燃燒，產(chǎn)生大量CO，同時燃燒速度降低甚至終止。當海拔為4380m時，大約為平原地區(qū)含氧量的65%[6]，空氣含氧量降為14%，空氣密度約為平原地區(qū)的25%。

3 數(shù)值模擬

3.1" 依托隧道情況

雀兒山隧道[7]線路全長12.997km，路面總寬8.5m，主洞全長7079m，最大埋深700m，平行導(dǎo)洞長7180m，與主線間距38m，路面為雙向二車道二級公路，設(shè)計速度40km/h，位于我國四川省甘孜藏族自治州德格縣，是目前海拔超過4300m單洞最長公路隧道，洞口海拔4373m。

3.2" 計算模型的建立

根據(jù)實際情況，以及建模大小，將模型設(shè)置寬為8.5m的上拱形隧道，截取長度為500m，處于隧道中間，坡度為0°，根據(jù)雀兒山隧道的實際車流量情況，設(shè)定火災(zāi)規(guī)模為20MW?；鹪闯叽缭O(shè)置為5m×2m，處于隧道中間中線位置，采用非穩(wěn)態(tài)t2火災(zāi)模型模擬隧道內(nèi)車輛火災(zāi)發(fā)展。建立隧道模型，隧道初始溫度定于10℃，通風情況為縱向通風，公路隧道左側(cè)設(shè)置為“Supply”（機械通風），隧道右側(cè)出口設(shè)置為“Open”（自然通風）。根據(jù)FDS使用手冊，運用公式3進行計算

（3）

式中：D*——火源特征長度，m；

Q——火源熱釋放功率，kW；

ρ——空氣密度，kg/m3；

c——空氣比熱容，kJ/（kg·K）；

T——空氣溫度，K；

g——重力加速度，m/s2。

本文將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5m。為了更加接近實際火災(zāi)情況，保證模擬的真實有效，本文采用t2非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)模型近似模擬隧道火源發(fā)展。

Q=αt2 （4）

式中：Q——火災(zāi)規(guī)模，kW；

α——火災(zāi)熱釋放率的增長系數(shù)，kW/s2；

t——時間，s。

根據(jù)4種標準t2火，此處為超快速火，取0.1876kW/s2，t取326.5s。

q= （5）

式中：S——火源面積，m2；

q——火災(zāi)的熱釋放速率，得出q為2000kW/m2。

4 模擬結(jié)果及分析

針對以上數(shù)據(jù)，對該模型進行模擬計算，設(shè)置三種不同程度的工況，分別為機械通風口的風速為0m/s、1m/s、2m/s，定為工況一、工況二、工況三。分析不同工況下的煙霧擴散情況。煙霧擴散導(dǎo)致人員逃生視力受阻、呼吸困難，CO濃度和氧含量導(dǎo)致人員逃生過程中發(fā)生身體不適，甚至中毒，溫度導(dǎo)致人員燙傷、燒傷等，一定程度上影響人員逃生，故分析不同工況下的CO濃度，人眼特征高度處的可見度以及溫度，得出高海拔隧道的火災(zāi)特性，便于設(shè)置最合理的火災(zāi)逃生通風速率。相關(guān)規(guī)范[8]規(guī)定，隧道人員的安全疏散時間應(yīng)小于15min。因此，該模擬將火災(zāi)仿真時間設(shè)置為900s。

基于規(guī)范可見度低于10m、煙氣溫度超過60℃、特征高度處CO濃度超過295mg/m2 這3種界限值作為致災(zāi)指標。分析隨時間變化不同風速情況下煙氣擴散情況，確定距離火源點不同位置在不同燃燒時間下的CO濃度，人眼特征高度處的可見度以及溫度，繪制關(guān)系圖，以分析安全情況，為通風設(shè)計及疏散通道設(shè)計提出建議。

4.1" 不同風速對能見度的影響

分析三種工況可知，在無機械通風的情況下，能見度兩側(cè)呈對稱情況，能見度隨燃燒時間增加而降低，燃燒時間達到500s，火源附近150m內(nèi)均處于危險狀態(tài)。600s后，火源附近250m內(nèi)均處于危險。當機械通風為1m/s時，相比無機械通風，上游能見度有所提升，但下游能見度降低，在燃燒600s后，整個下游幾乎均處于危險的能見度。當機械通風為2m/s時，上游能見度均為正常情況；下游對比工況一、工況二能見度有明顯降低，當500s時，150m內(nèi)能見度無法達到安全標準。

4.2" 不同風速對溫度的影響

分析三種工況下的溫度情況發(fā)現(xiàn)，當無機械通風的情況下，火源兩側(cè)溫度呈對稱分布，且隨時間變化溫度逐漸升高，600s后兩側(cè)大部分溫度高于60℃，處于危險情況，火源處最大溫度接近600℃。對于工況二，機械通風為1m/s，上游均未到達60℃的危險溫度，但溫度依然不低，700s后，下游均處于高于60℃的危險情況，火源處最大溫度接近750℃。對于工況三，機械通風為2m/s，上游溫度穩(wěn)定在環(huán)境溫度10℃左右，處于相對安全的溫度，而下游溫度較工況一、二有明顯上升，當400s后，下游50m內(nèi)處于危險溫度，500s后，下游100m內(nèi)處于危險溫度，600s后，整個下游溫度均高于安全溫度60℃。

4.3" 不同風速對CO濃度分布的影響

分析三種工況下CO濃度變化，當無機械通風時，CO濃度對稱向兩邊擴散，且隨時間增加，500s后出現(xiàn)CO濃度超過295mg/m2的情況，800s后整個隧道的CO濃度均高于295mg/m2的危險情況。當工況二時，CO濃度均處于295mg/m2以下，上游濃度處于36mg/m2以下，但600s后，下游大部分濃度仍高于150mg/m2，會引起人的輕微頭痛。當工況三時，上游CO濃度幾乎為0，下游濃度較前兩種工況上升較快，但仍低于295mg/m2 的安全濃度，但是整體處于150mg/m2 以下，對人的影響較小隨距離增加呈上升趨勢。

5 結(jié)束語

由于高海拔地區(qū)的低氣壓、低氣溫、低含氧量的情況，不同于低海拔的燃燒，燃燒不夠充分，產(chǎn)生的CO不同，煙氣擴散情況不同。故根據(jù)不同機械通風進行模擬，分析不同工況下的能見度、溫度、CO濃度分布規(guī)律得出以下結(jié)論：①在無機械通風的情況下，能見度、溫度、CO濃度幾乎呈對稱分布，且大部分均處于三種標準的危險值范圍。②在機械通風的情況下，能見度、溫度、CO濃度均得到不同程度的改善，在2m/s的情況下，上游幾乎處于安全狀態(tài)，但下游存在危險；而1m/s的情況下，下游的情況更加優(yōu)良。③風速處于1m/s，整個隧道處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)，不會破壞煙氣層，可以向隧道內(nèi)輸送氧氣，下游溫度、CO濃度上升較慢，適用于疏散較為擁堵的情況，可以保證更好的疏散情況。④風速處于2m/s，隧道情況波動較大，不會存在煙氣回流，適用于疏散通暢的情況。

參考文獻

[1]交通運輸部.2023年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[N].中國交通報，2024-06-18（002）.

[2]京報網(wǎng).滬昆高速黔西南州晴隆段梧桐隧道發(fā)生一起交通事故，2人死亡[EB/0L].https：//news.bjd.com.cn/2024/08/15/10867751.shtml

[3]葉成豪，劉月嬋，孫超，等.考慮火災(zāi)產(chǎn)物影響條件下的人員疏散仿真研究[J].中國安全科學學報，2020，30（6）：142-151．

[4]楊家偉，劉屈瑤，梁慶國，等.甘青隧道火災(zāi)煙氣擴散特征研究[J/OL].鐵道標準設(shè)：1-10[2023-11-05].

[5]王峰，黃玉冰，朱磊，等.超高海拔隧道火災(zāi)燃燒與煙氣溫度現(xiàn)場模型試驗研究[J].土木工程學報，2020，53（3）：114-120.

[6]孫代.高海拔特長公路隧道施工人體健康保障技術(shù)[J].低碳世界，2021，11（5）：237-238

[7]國道317線雀兒山隧道工程[J].城鄉(xiāng)建設(shè)，2021（16）：76-77.

[8]孫茂貴，陳建忠，楊孟，等.高海拔隧道縱向風速對人員疏散環(huán)境的影響研究[J].公路交通技術(shù)，2023，39（1）：142-150+160.